Riesenmuster in den Wolken des Planeten Venus entdeckt

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Eine japanische Forschungsgruppe hat eine riesige Streifenstruktur unter den Wolken identifiziert, die den Planeten Venus bedeckt, basierend auf Beobachtungen aus dem Raumschiff Akatsuki. Die Ursprünge dieser Struktur hat das Team auch anhand von groß angelegten Klimasimulationen aufgezeigt. Die Gruppe wurde von Projektassistenzprofessor Hiroki Kashimura (Kobe University, Graduate School of Science) geleitet und diese Ergebnisse wurden am 9. Januar in Nature Communications veröffentlicht.

Venus wird wegen ihrer ähnlichen Größe und Schwerkraft oft als Zwilling der Erde bezeichnet, aber das Klima auf der Venus ist sehr unterschiedlich. Die Venus dreht sich in die entgegengesetzte Richtung zur Erde und viel langsamer (etwa eine Drehung für 243 Erdtage). Etwa 60 Kilometer über der Venusoberfläche umkreist ein schneller Ostwind den Planeten in etwa 4 Erdtagen (bei 360 km/h), ein Phänomen, das als atmosphärische Superrotation bekannt ist.

Der Himmel der Venus ist vollständig von dicken Wolken aus Schwefelsäure bedeckt, die sich in einer Höhe von 45-70 km befinden, was es schwierig macht, die Oberfläche des Planeten von erdbasierten Teleskopen und Orbitern aus zu beobachten, die die Venus umkreisen. Die Oberflächentemperaturen erreichen brennende 460 Grad Celsius, eine raue Umgebung für alle Beobachtungen mit Eingangssonden. Aufgrund dieser Bedingungen gibt es immer noch viele Unbekannte über die atmosphärischen Phänomene der Venus.

Um das Rätsel um die Atmosphäre der Venus zu lösen, begann das japanische Raumschiff Akatsuki im Dezember 2015 seine Umlaufbahn um die Venus. Eines der Beobachtungsinstrumente von Akatsuki ist eine Infrarotkamera „IR2“, die Wellenlängen von 2 μm (0,002 mm) misst. Diese Kamera kann die detaillierte Wolkenmorphologie der unteren Wolkenebenen, etwa 50 km von der Oberfläche entfernt, erfassen. Optische und ultraviolette Strahlen werden durch die oberen Wolkenschichten blockiert, aber dank der Infrarot-Technologie werden allmählich dynamische Strukturen der unteren Wolken sichtbar.

Vor Beginn der Akatsuki-Mission entwickelte das Forschungsteam ein Programm namens AFES-Venus zur Berechnung von Simulationen der Atmosphäre der Venus. Auf der Erde werden atmosphärische Phänomene jeder Größenordnung mit Hilfe numerischer Simulationen erforscht und vorhergesagt, von der täglichen Wettervorhersage über Taifunberichte bis hin zum erwarteten Klimawandel durch die globale Erwärmung. Für die Venus ist die Schwierigkeit der Beobachtung ein noch wichtigerer Faktor, aber genau dieses Thema macht es auch schwierig, die Genauigkeit der Simulationen zu bestätigen.

AFES-Venus war es bereits gelungen, superrotative Winde und polare Temperaturstrukturen der Venusatmosphäre zu reproduzieren. Mit dem Earth Simulator, einem Supercomputersystem der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), erstellte das Forschungsteam numerische Simulationen mit hoher räumlicher Auflösung. Aufgrund der geringen Qualität der Beobachtungsdaten vor Akatsuki war es jedoch schwierig zu beweisen, ob es sich bei diesen Simulationen um genaue Rekonstruktionen handelte.

In dieser Studie wurden detaillierte Beobachtungsdaten der unteren Wolkenniveaus der Venus mit der IR2-Kamera von Akatsuki mit den hochauflösenden Simulationen aus dem AFES-Venus-Programm verglichen. Der linke Teil von Abbildung 1 zeigt die unteren Wolkenniveaus der Venus, die von der IR2-Kamera erfasst wurden. Beachten Sie die fast symmetrischen Riesenstreifen über die Nord- und Südhalbkugel. Jeder Streifen ist hunderte von Kilometern breit und erstreckt sich diagonal fast 10.000 Kilometer. Dieses Muster wurde zum ersten Mal von der IR2-Kamera entdeckt, und das Team hat es als planetarische Streifenstruktur bezeichnet. Dieses Ausmaß der Streifenstruktur wurde auf der Erde noch nie beobachtet und könnte ein einzigartiges Phänomen der Venus sein. Mit Hilfe der hochauflösenden AFES-Venus-Simulationen rekonstruierte das Team das Muster (Abbildung 1 rechts). Die Ähnlichkeit zwischen dieser Struktur und den Kamerabeobachtungen belegt die Genauigkeit der AFES-Venus-Simulationen.

Anschließend deckte das Team durch detaillierte Analysen der AFES-Venus-Simulationsergebnisse den Ursprung dieser riesigen Streifenstruktur auf. Der Schlüssel zu dieser Struktur ist ein Phänomen, das eng mit dem Alltagswetter der Erde verbunden ist: die Polarstrahlströme. In mittleren und hohen Breitengraden der Erde bildet eine großräumige Winddynamik (baroklinische Instabilität) extratropische Zyklone, wandernde Hochdrucksysteme und Polarstrahlströme. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten den gleichen Mechanismus bei der Arbeit in den Wolkenschichten der Venus, was darauf hindeutet, dass Strahlströme in hohen Breitengraden gebildet werden können. In niedrigeren Breitengraden erzeugt eine atmosphärische Welle aufgrund der Verteilung der großräumigen Strömungen und des planetarischen Rotationseffekts (Rossby-Welle) große Wirbel über den Äquator bis zu Breitengraden von 60 Grad in beide Richtungen (Abbildung 2, links). Wenn zu diesem Phänomen Strahlströme hinzukommen, neigen und dehnen sich die Wirbel, und die Konvergenzzone zwischen Nord- und Südwind bildet einen Streifen. Der von der Konvergenzzone herausgedrängte Nord-Südwind wird zu einer starken Abwärtsströmung, die zur planetarischen Streifenstruktur führt (Abbildung 2, rechts). Die Rossby-Welle kombiniert sich auch mit einer großen atmosphärischen Fluktuation über dem Äquator (äquatoriale Kelvin-Welle) in den unteren Wolkenebenen, wodurch die Symmetrie zwischen den Hemisphären erhalten bleibt.

Diese Studie zeigte die riesige Streifenstruktur auf planetarer Ebene in den unteren Wolkenebenen der Venus, replizierte diese Struktur mit Simulationen und schlug vor, dass diese Streifenstruktur aus zwei Arten von atmosphärischen Schwankungen (Wellen), barokliner Instabilität und Jetströmen gebildet wird. Die erfolgreiche Simulation der aus mehreren atmosphärischen Phänomenen gebildeten Streifenstruktur im planetarischen Maßstab ist ein Beweis für die Genauigkeit der in diesem Prozess berechneten Simulationen für einzelne Phänomene.

Bisher konzentrierten sich die Studien zum Venenklima hauptsächlich auf Durchschnittsberechnungen von Ost nach West. Dieses Ergebnis hat die Untersuchung des Venusklimas auf eine neue Ebene gehoben, auf der eine Diskussion über die detaillierte dreidimensionale Struktur der Venus möglich ist. Der nächste Schritt besteht darin, in Zusammenarbeit mit Akatsuki und AFES-Venus das Rätsel des Klimas der Zwillingsvene der Erde zu lösen, die in der dichten Wolke der Schwefelsäure verborgen ist.

Mehr Informationen:
Hiroki Kashimura et al. Streakstruktur im Planetenmaßstab, reproduziert in hochauflösenden Simulationen der Venusatmosphäre mit einer Schicht mit geringer Stabilität, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-07919-y

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